Что такое лавинный диод и его применение

Лавинный диод от ООО Элемент-Преобразователь

Роман Рыбак

Алевтина Коляда

В статье показано основное преимущество использования лавинных диодов в электрических схемах с перенапряжением, дано объяснение механизма лавинного пробоя, требования к конструкции и технология изготовления лавинных диодов.

ООО «Элемент-Преобразователь» расширил ряд лавинных диодов с жестким и гибким выводом на токи до 160 А и напряжение до 1800 В, освоив производство приборов ДЛ151-160 и ДЛ152-160. Аналоги этих приборов на территории Украины и России в настоящий момент не выпускаются.

Лавинные диоды используются в выпрямительных агрегатах для металлургической и химической промышленности, железнодорожного транспорта и в других электрических схемах, в которых наблюдается перенапряжение. Основное преимущество лавинных диодов перед силовыми выпрямительными диодами в том, что они не разрушаются при значительных перенапряжениях и после снятия напряжения восстанавливают свои параметры [1].

Электрические параметры и характеристики лавинного диода

Электрические параметры лавинных диодов представлены в таблице 1, габаритно-присоединительные размеры — на рис. 1.

Механизм лавинного пробоя

Лавинные диоды могут выдерживать значительные напряжения в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу лавинного диода, напряженность электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) увеличивается и может достигнуть значений, при которых будет наблюдаться заметная ударная ионизация [2]. В ударной ионизации могут принимать участие носители как инжектированные в ОПЗ из базовых областей, так и генерированные в самой ОПЗ. Электроны и дырки образуют при ударной ионизации вторичные электронно-дырочные пары, которые умножаются в p-n-переходе. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент умножения носителей.

В сильных электрических полях, превышающих 104 В/см, носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла и рождения новых электронно-дырочных пар, вследствие чего наступает лавинный пробой p-n-перехода.

Высоковольтные p-n-переходы имеют лавинный пробой при оптимальном сочетании конструкции и технологии их производства.

Известно, что лавинный пробой p-n-переходов носит микроплазменный характер [1].

При детальном исследовании лавинного пробоя было установлено, что ток пробоя формируется вдоль серии хаотично расположенных каналов проводимости, пронизывающих p-n-переход и называемых микроплазмами. Причинами микроплазм являются всякого рода несовершенства и нарушения кристаллической решетки и включения, на которых электрическое поле превышает среднее значение, характерное для объемного заряда всего p-n-перехода.

В области лавинного пробоя вольт-амперная характеристика U(I) выпрямительного элемента описывается следующей зависимостью:

где U_проб (I₀) — напряжение загиба вольтамперной характеристики (напряжение, при котором появляются первые микроплазмы); I₀ — ток, соответствующий напряжению Uпроб; ΔT = T₂ – T₁ — перегрев p-n-перехода за счет протекания обратного тока I; β_T — температурный коэффициент пробивного напряжения.

Величина (dU/dI) = Rg представляет собой динамическое сопротивление p-n-структуры в области лавинного пробоя. Величина R_g определяется сопротивлениями микроплазм и их количеством. Число микроплазм растет с увеличением обратного напряжения, обратного тока. Зависимость динамического сопротивления лавинных диодов от обратного тока описывается формулой IR_g = A. Величина A = 4…10 для p-n-переходов с U_проб = 400…1000 В. Величина А характеризует степень однородности лавинного пробоя.

Изотермическая вольт-амперная характеристика p-n-перехода в области лавинного пробоя описывается выражением:

Величина R_g при больших обратных токах стремится к некоторому насыщению.

Требования к конструкции технологии изготовления

В процессе разработки лавинных диодов выработаны требования к качеству исходного материала, технологической обработке и элементам конструкции, позволяющие максимально снизить внесение механических напряжений в кремний:

Особо следует отметить отрицательное воздействие на ВАХ приборов «звездных» дефектов. Эти дефекты чаще возникают в процессе изготовления приборов и ухудшают ВАХ вплоть до потери p-n-переходом запирающих свойств.

Детальное изучение этих дефектов позволяет предположить, что это микротрещины, образовавшиеся в напряженном кремнии в процессе термической обработки. При определенном сочетании геометрических размеров элементов при термообработке могут возникнуть упругие деформации в структуре кремния вплоть до перехода их в пластическую деформацию (микротрещины). Эти механические напряжения в микроструктуре проявляются «звездами» и служат центрами локального пробоя p-n-перехода и разрушения кремния.

Однородность удельного сопротивления кремния является важным условием изготовления лавинных диодов.

Таким образом, для создания лавинных p-n-переходов необходимо:

Выводы

Использование лавинного диода в выпрямительных агрегатах позволяет увеличить надежность электрических схем и дает возможность уменьшить мощность используемого лавинного диода, так как защитную роль от пробоя будет играть лавинный ток, а не дополнительный запас по обратному напряжению силового диода.

Источник

В электронике лавинный диод это диод (сделан из кремний или другой полупроводник), который предназначен для сход лавины при указанном обратном смещении Напряжение. Переход лавинного диода спроектирован так, чтобы предотвратить концентрацию тока и возникающие горячие точки, так что диод не будет поврежден пробоем. Лавинный пробой происходит из-за того, что неосновные носители заряда достаточно ускорены, чтобы вызвать ионизацию в кристаллической решетке, производя больше носителей, которые, в свою очередь, создают большую ионизацию. Поскольку лавинный пробой является равномерным по всему переходу, напряжение пробоя почти постоянно при изменении тока. [ требуется разъяснение ] по сравнению с нелавинным диодом. [1]

В Стабилитрон проявляет похожий эффект в дополнение к Пробой стабилитрона. Оба эффекта присутствуют в любом таком диоде, но обычно один преобладает над другим. Лавинные диоды оптимизированы для лавинного эффекта, поэтому они демонстрируют небольшое, но значительное падение напряжения в условиях пробоя, в отличие от стабилитронов, которые всегда поддерживают напряжение выше, чем пробой. Эта функция обеспечивает лучшую защиту от перенапряжения, чем простой стабилитрон, и действует больше как газоразрядная трубка замена. Лавинные диоды имеют небольшой положительный температурный коэффициент напряжения, тогда как диоды, основанные на эффекте Зенера, имеют отрицательный температурный коэффициент. [2]

Содержание

Использует

Источник опорного напряжения

Напряжение после пробоя незначительно меняется при изменении тока. Это делает лавинный диод полезным в качестве опорное напряжение. Опорное напряжение диодов рейтинга более чем приблизительно 6-8volts, как правило, лавинные диоды.

Защита

Генерация радиочастотного шума

Лавинные диоды генерируют радиочастота шум. Они обычно используются в качестве источников шума в радиооборудовании и аппаратные генераторы случайных чисел. Например, они часто используются в качестве источника RF для антенный анализатор мосты. Лавинные диоды также могут использоваться как белый шум генераторы.

Генерация микроволновых частот

При включении в резонансный контур лавинные диоды могут действовать как отрицательное сопротивление устройств. В IMPATT диод представляет собой лавинный диод, оптимизированный для генерации частоты.

Однофотонный лавинный детектор

Они сделаны из легированного кремния и зависят от эффекта лавинного пробоя для обнаружения даже одиночных фотонов. Кремниевый лавинный фотодиод представляет собой детектор фотонов с высоким коэффициентом усиления. Они «. идеальны для использования на высоких скоростях при низком уровне освещенности». [3] Лавинный фотодиод работает с напряжением обратного смещения до сотен вольт, что немного ниже его напряжения пробоя. В этом режиме электронно-дырочные пары, генерируемые падающими фотонами, забирают большое количество энергии из электрического поля, что создает больше вторичных носителей заряда. С помощью этих электронных устройств можно зарегистрировать фототок только одного фотона.

Источник

Что такое лавинный диод и его применение

Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.

Диод — это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:

А некоторые выглядят чуточку по-другому:

Есть также и SMD исполнение диодов:

Выводы диода называются — анод и катод. Некоторые по ошибке называют их «плюс» и «минус». Это неверно. Так говорить нельзя.

На схемах диод обозначается так

Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.

Из чего состоит диод

В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток — фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.

После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.

Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа — катодом.

Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.

диод Д226

Вот это и есть тот самый PN-переход

PN-переход диода

Как определить анод и катод диода

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.

прямое включение диода

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.

диод в прямом включении

Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.

обратное включение диода

Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.

обратное включение диода

Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

Мой генератор частоты выглядит вот так.

генератор частот

Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа

Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.

синусоидальный сигнал

Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.

переменное напряжение после диода

Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.

А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.

переменый ток после диода

переменный ток после диода

Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск «даташит КД411АМ»

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение U_обр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток I_обр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток I_пр — это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота F_d , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь — прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ — обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры — Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона — это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон — это минимальный и максимальный ток (I_min, I_max). Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды — особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет — это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (U_обр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (I_max) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды — это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод — это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода — управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров — это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр — I_ос,ср. — среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор — (U_у), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

Существуют также разновидности тиристоров — динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы — это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты — одна из разновидностей диодных сборок.

На схемах диодный мост обозначается вот так:

Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.

Очень интересное видео про диод

Похожие статьи по теме «диод»

Источник